一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于化学工程动力学测试领域，尤其涉及一种适用于测量透明溶液浓度改 变量的测量方法。
【背景技术】
[0002] 溶液浓度是表征溶液特性的一个重要参数。溶液浓度变化的检测和测量是制药、 材料、化学等领域十分重要的课题。化学领域，当溶液内部发生反应，分析浓度的动态变化 对阐明化学反应机理有着重要的意义。传统的测量手段如浓度计、光度计等通常只能测量 静态下的溶液浓度，而当溶液浓度动态变化时，难以达到实时测定。
[0003] 数字全息显微术可以利用光束干涉全息图像同时获得溶液位置、数量、相位以及 形貌信息，在溶液浓度变化时，能对溶液变化进行实时观察。但是，目前尚无溶液浓度进行 实时定量测量的方法。
[0004] 数字全息计量法是一种常用的无损检测技术，是全息计量术发展，它具有精度高、 对被测物（或场）无影响、实时性强等特点，几乎是数字全息最成功的应用领域。全息计量 法与一般的光学干涉检测法类似，他们有类似的精度和灵敏度，区别是一般光学检测获取 干涉光的方式为主要有分波前法和分振幅法。分波前法是将一束光的波前分成两个或以上 部分再发生干涉，如双缝干涉等：分振幅法时将一束光的振幅分成两个或以上部分，如近克 尔逊干涉仪等。而全息干涉是将同一束光的不同时刻的波前分开然后进行干涉.这种方法 的好处是可以减小装置的系统误差。全息干涉不仅可以测量透明物体，也可以测量非透明 物体。而数字全息采用CCD代替全息干板后，全息图存贮和处理更加方便，并且CCD的图像 记录时间比全息干板要低的多，使数字全息的干涉计量术比光学全息术的应用领域更加广 泛，尤其在对动态过程的处理中更具有光学全息计量术不可比拟的优势。
[0005] 在测量溶液浓度方面，硕士论文"基于干涉法测量溶液浓度变化的研究"中，将干 涉图经过相应的计算机软件通过傅里叶变化转化为频谱图，再经傅里叶逆变换解出相位 差。此外，在山东大学的另一篇硕士论文（作者：袁博宇等）中，采用的是改变透镜位置获 得载波条纹的方法解析相位差，该方法很容易破坏光路，增加实验难度和不确定性。
【发明内容】
[0006] 为提升测量准确度，弥补传统测量技术对浓度动态变化溶液测量的不足，本发明 提供了一种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，从而可用于铜合金等各类金属阳极腐 蚀定量测量、晶体材料制备中溶液浓度控制、溶液中催化剂表面浓度变化、化学和生物实验 中溶液组分变化测定等。
[0007] 本发明的具体技术方案如下：
[0008] -种用于透明溶液浓度变化的实时测量方法，包括步骤：
[0009] 1)测量用的激光由分束器分为平行的物光和参照光，穿过待测的透明溶液且携带 有溶液信息的物光经成像透镜收集并与参照光在分束棱镜处干涉，形成同心圆条纹的干涉 图像；
[0010] 2)当溶液浓度变化时，重复步骤1)中的操作，得到发生条纹畸变的干涉图像；
[0011] 3)对步骤1)和步骤2)中的干涉图像进行光强拟合，提取两幅图中测量点的光强 信息，算得测量点的干涉相位差；
[0012] 4)根据相位差和溶液折射率的线性关系以及溶液折射率与溶液浓度的线性关系， 计算测量点的溶液浓度变化量。
[0013] 其中，所述的透明溶液盛放在透明样品皿内，且置于所述成像透镜的一倍焦距与 二倍焦距之间，起到放大显微作用。
[0014] 分束后的物光和参照光的光路上设有空间滤波器滤波和准直透镜，起到滤波作 用。
[0015] 在所述的步骤3)中，待测的透明溶液浓度分布均匀，光强表示为：
[0017] 式中，X，y为任意点的坐标，U。为物光的复振幅，U R为参照光的复振幅，λ为波长， d为采集图像的CXD到溶液之间的距离，R是C⑶平面任意一点到干涉图像圆心的距离。
[0018] 其中，干涉相位差Δ?,ν)表示为：
[0019]
[0020] 式中，1^"}为浓度变化过程中任意一点的溶液折射率，η。为浓度变化前的溶液折 射率，λ为激光波长，d为透明样品皿的宽度。
[0021] 所述的步骤4)中，溶液折射率变化Δ n y)与相位差变化片关系为：
[0022]
[0023] 式中，1^"}为浓度变化过程中任意一点的溶液折射率，η。为浓度变化前的溶液折 射率，λ为激光波长，d为透明样品皿的宽度。
[0024]所沭的步骤4)中，溶液折射率变化与溶液浓度变化满足线性关系，
:浓度变化与折射率变化的关系系数。
[0027] 在所述的步骤4)中，溶液浓度变化量的计算公式为：
[0028]
[0029] 式中，Δ c为溶液浓度变化量，
是浓度变化与折射率变化的关系系数。
[0030] 本发明的有益效果：
[0031] (1)引入计算机技术和图像处理技术，使记录和分析完全数字化，极大提高数据处 理的速度与精度；
[0032] (2)测量过程中，对样品中的溶液没有任何接触，光束透过样品池后，对溶液中浓 度变化反应是实时的，因此具有非接触以及实时的优点。
【附图说明】
[0033] 图1为测量系统的光路图；
[0034] 图2中（a)、（b)和（c)为浓度变化过程中采集到三幅干涉图像；
[0035] 图3为初始时不同位置的光强曲线与拟合曲线图；
[0036] 图4为浓度改变后的不同位置的光强曲线与拟合曲线图，选取的点位是溶液待测 量浓度的位置；
[0037] 图5为浓度改变后的不同位置的光强曲线与拟合曲线图，选取的点位是拟合曲线 中，该亮度所处位置，用以计算相位差。
【具体实施方式】
[0038] 如图1所示的测量系统，包括激光器1、分束器2、空间滤波器3、透镜4、样品槽5、 透镜6、全反射镜7、全反射镜8、空间滤波器9、透镜10、分束棱镜11、(XD12和计算机13。
[0039] 由激光器1发出一定波长的激光，由分束器2分为平行的物光和参照光，分别经 过空间滤波器3和空间滤